Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЕ УТЕЧКИ

Цель работы - изучить принцип действия и исследовать защитные характеристики устройства автоматического контроля изоляции УАКИ-380.

1.1. Общие сведения

1. Назначение реле.

Реле утечки предназначено для защиты от поражения электрическим током путем автоматического отключения трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью при снижении общего сопротивления изоляции до опасного значения.

Применение реле утечки типа /УАКИ/ устройства автоматического контроля изоляции в шахтных участковых сетях позволяет создать постоянный контроль за состоянием изоляции электрической сети и предупре­дить развитие ее повреждения; снизить вероятность воспламенения рудничного газа в угольной пыли от токов утечки и предотвратить прожог или опасный нагрев оболочек электрооборудования под действием элек­трической дуги.

2. Принципы контроля сопротивления изоляции.

Контроль сопротивления изоляции в аппаратах УАКИ осуществляется по силе оперативного тока через сопротивление утечки. Сила тока утеч­ки в трехфазной сети с изолированной нейтралью зависит от сопротивле­ния сети r относительно земли, а также сопротивления случайных ло­кальных утечек r_ут, вызванных повреждением, либо сопротивления тела человека R_ч , прикоснувше-гося к одной из фаз.

Согласно требованиям, реле утечки должно отключать сеть при воз­никновении предельного длительно безопасного тока утечки. Сила того тока составляет ничтожную долю /до 30 мА/ по отношению к токам на­грузки.

Для того чтобы обнаружить и определить силу тока утечки и, следо­вательно, сопротивление утачки /изоляции/, в реле УАКИ используется схема защиты с наложенным оперативным

напряжением. Оперативное /вспо­могательное/ напряжение обеспечивается с помощью трехфазного выпрямителя /ЭВ/, питающегося непосредственно от защищаемой сети либо через делитель.

Схема ЗВ /рис.1.1,а/ в реле УАКИ-380 создает так называемую кано­ническую характеристику защиты от утечек, в соответствии с которой критическое сопротивление изоляции, т.е. наименьшее его значение, при котором допускается работа сети при отсутствии утечек: . Каноническая характеристика реле УАКИ при сопротивлении изоляции, от­личном от нуля:

- отключающее сопротивление /уставка защиты/ однофазной утечки;

- сопротивление изоляции фазы по отношению к земле, Ом;

- оперативное напряжение, В;

- сила тока срабатывания защиты, А;

- сопротивление схемы, Ом;

- сопротивление уставки отключающего активного сопротивления утечки при , Ом.

Для реле о каноническими характеристиками характерно соотношение . При этом выбор одного из значений отключенного сопротивления при одно-, двух-, трехфазной утечке определяет остальные величины.

Для повышения чувствительности реле УАКИ при однофазных утечках характеристику, создаваемую схемой ЗВ, приходится деформировать, что достигается выполнением условия r_кр < U/I_дб. Особая необходимость в этом возникает на участках сети с относительно низким сопротивлением изоляции в результате повышенной влажности. Деформация в реле УАКИ осуществляется благодаря применению в дополнение к схеме ЗВ схемы за­щиты напряжением нулевой последовательности /ЗННП/ /рис.1.1,б/, создающей характеристику, определяемую выражением

где -сопротивление фильтра нулевой последовательнос-ти и обмоток реле K(R_p ),Ом; U- фазное напряжение сети, В; U_cp -напряжение уставки срабатывания реле, В.

Результирующая деформированная характеристика /рис.1.1,в/ получается в результате суммирования характеристик рис.1.1,а и 1.1,б.

Схема аппаратов защиты от утечек типа УАКИ построена на базе схем ЗВ и ЗННП и является универсальной, т.е. способной создавать как канонические, так и деформированные характеристики с разной степенью деформации

где р - коэффициент деформации характеристики, Р = I...6; R'_с - cо-противление уставки отключающего активного сопротивления однофазной утечки при , кОм; ^r_кр,- критическое /отключающее/ сопротивле­ние изоляции при , кОм.

3. Устройство реле.

Реле утечки УАКИ-380 /рис.1.2/ включает в себя делитель напряжения, образованный резисторами R1 и R2, трехфазный однополупериодный выпрямитель VД1....VДЗ, двухобмоточное реле К и добавочные резисторы R3 и R4, предназначенные для регулирования уставки отключающего сопро­тивления при наладке реле, и включенного в цепь обмотки П исполнитель­ного реле К .

Кроме того, в состав реле утечки входит дроссель L, предназначен­ный для компенсации емкости сети до 0,5 мкФ на одну фазу /отпайка 3/ и до I мкФ на одну фазу /отпайка 2/. Дроссель подключается к сети че­рез заградительный для выпрямленного оперативного тока фильтр, обра­зованный конденсаторами С2 емкостью 1 мкФ.

В схеме реле утечки установлен килоомметр PR для визуального контроля сопротивления изоляции.

Для проверки исправности реле утечки предусмотрена кнопка "Про­верка", замыкающая цепь проверочного резистора R5 /5,1 кОм/, вклю­ченного между сетью и дополнительным заземлителем /ДЗ/, который пред­назначен для контроля соединения аппарата с землей и располагается для этого на расстоянии не менее 5 м от местного заземления "3".

Рис.1.1. Отдельные элементы схемы реле УАКИ-380

4. Характерные режимы работы реле утечки УАКИ-330.

Случай 1. Исходное состояние: Сопротивление изоляции () , утечки отсутствуют ().

Через реле К протекает ток под действием выпрямленного напряжения /сопротивлением аппарата пренебре­гаем/ по двум параллельным цепям:

При этом выпрямленный ток проходит только по внутренним эле­ментам схемы.

Обмотка I реле К основная, по ней при срабатывании защиты про­ходит кроме внутреннего , оперативный /измерительный/ ток, опреде­ляемый сопротивлением изоляции сети. По обмотке II проходит только часть выпрямленного тока - тормозной ток , который не зависит от сопротивления изоляции. Остальной ток протекает через диод VД4 и обмотку / реле К.

Обмотки реле К включены встречно, а параметры их подобраны так, что в исходном состоянии создаваемый ими результирующий магнитный по­ток равен нулю и реле находится в нейтральном состоянии. Такая диф­ференциальная схема включения обмоток реле повышает чувствительность схемы, так как реле реагирует на результирующий магнитный поток, рав­ный разности потоков в обмотках реле К. По обмотке / реле К кроме внутреннего выпрямленного тока при снижении сопротивления изоляции / или / протекает также оперативный /измерительный/ ток , а через обмотку II во всех случаях только тормозной ток .

Случай 2. Сопротивление изоляции , . При этом в реле, кроме внутреннего , возникает оперативный ток

где - внутреннее сопротивление схемы аппарата.

Оперативный ток проходит по цепи "сеть - сопротивление изо­ляции r - земля - заземление "3" УАКИ – килоомметр PR - обмотка / -

точка O₁ - диоды VД1...VДЗ выпрямителя оперативного тока - резисто­ры R₁ - сеть". При этом заряжается конденсатор C₁, подключенный па­раллельно обмотке / и килоомметру PR.

При снижении сопротивления изоляции до критического значения r_кр, равного сопротивлению уставки срабатывания защиты, реле сраба­тывает и контактом K1 замыкает цепь отключающей катушки КМ незави­симого расцепителя автоматического выключателя QF, который отключает сеть.

Контакт К2 реле К шунтирует свою обмотку II тормозную/, вслед-

ствие чего реле самоблокируется. После отключения автомата реле К тоже отключается.

Случай 3. Сопротивление изоляции сети , однофазная утечка .

В этом случае, кроме тока , существующего независимо от вели­чин r, r_ут и оперативного тока ,определяе­мого оперативным напряжением, возникает также переменный ток нулевой последовательности , вызванный возникшей асимметрией сопротивления фаз сети относительно земли.

При этом направление и сила тока в положительный и отрицательный полупериоды изменяется.

В положительный полупериод /см.рис.1.2/ ток протекает по цепи "сеть - однофазная утечка -земля - заземление "3" УАКИ-килоомметр PR - обмотка / - точка O₁ - диоды VД1 - VДЗ - резисторы R1 - сеть". Поскольку токи и при этом совпадают по направлению, си­ла суммарного тока, проходящего через обмотку / увеличивается а чув-ствительность аппарата возрастает.

В отрицательный полупериод цепь тока следующая: "сеть -резисторы R1-R2 - точка 02 - диод VД4 - килоомметр - заземление "3" УАКИ - земля - утечка - сеть". Следовательно, в отрицательный полупериод ток через реле не проходит.

Таким образом, сила тока в положительный полупериод больше, и в итоге при наличии в сети однофазной утечки, увеличение силы тока через рабочую обмотку до суммы + приводит к увеличению чувст­вительности реле.

Другими словами, отключающее сопротивление , однофазной утечки возрастает, так как характеристика реле УАКИ под действием то­ка нулевой последовательности деформируется. Наибольшая степень дефор­мации будет при емкости сети С1 = 0. Наличие в схема конденсатора C1, шунтирующего реле К уменьшает значение выпрямляемого тока, проходяще­го через реле, и, следовательно, степень деформации характеристики реле УАКИ.

Таким образом, изменяя величину C1, можно регулировать отключаю­щее сопротивление однофазной утечки при прежнем значении уставки кри­тического сопротивления r_кр при котором сила тока утечки не превы­шает длительно безопасный I_дб.

Случай 4. Общий случай, когда ,.

Если в сети, кроме однофазной утечки, имеется некоторое сопротив­ление изоляции то этим увеличивается сила оперативного выпрям­ленного тока .Но симметричное снижение r уменьшат напряжение нулевой последовательности и, следовательно, силу тока . Тем не ме­нее снижение r увеличивает в большей степени, чем снижается .Поэтому отключающее сопротивление однофазной утечки при снижении сопротивления изоляции возрастает. Аналогичные результаты будут получены при условии .двухфазной утечки .